Stratosfäriska kvantdatacenter: Nästa moln

Tänk om "molntjänster" blir bokstavliga? Forskare utforskar utplacera avancerade datorer i stratosfären för att ta itu med ett av kärnproblemen med kvantberäkningar.

Om den används, kommer denna unika sätt till lösa problemet kan spara på kylkostnader och helt förändra vägen we vet och tänka of molntjänster.

Den växande kostnaden för kylning av kvantdatacenter

Kvantdatorer är en typ av dator den där Återvinnare kvantmekanik för att utföra komplexa beräkningar mycket snabbare än klassiska datorer.

Till skillnad från klassiska datorer, som lagrar och bearbetar data i bitar (dvs. nollor eller ettor), använder kvantdatorer qubits som kan existera i flera tillstånd samtidigt, ett fenomen som kallas superposition, och kan även länkas samman, ett fenomen kallad intrassling. Dessa egenskaper gör det möjligt för kvantdatorer att utforska många möjligheter samtidigt.

Med qubits som sin grundläggande dataenhet kan kvantdatorer utföra avancerad parallell beräkning och åtnjuta betydligt ökad lagringskapacitet. Qubits är dock mycket känsliga för omgivningsbuller, som till exempel värme, vibrationer och elektromagnetisk störning.

De är helt enkelt mycket ömtåliga och därför hålls vid extremt låga temperaturer för att förhindra fel orsakade av buller och för att säkerställa korrekt funktion.

De flesta kvantsystem arbetar faktiskt vid temperaturer så låga som flera mK till 10 K.

Så, medan kvantdatacenter (QDC) har potential att slutföra en uppgift dubbelt så snabbt som a traditionell ett, de konsumerar tio gånger mer energi på grund av användningen av energiintensiva kryogena kylsystem.

Som ett resultat, där is ett behov till kolla upp d QDC:er termodynamiska aspekter i ordning att minska d kylnings energiförbrukning of dessa datacenter.

Några av de viktigaste kylteknikerna som används i datacenter för kvantchips inkluderar laserkylning, utspädningskylning och pulsrörskylning, där avancerade tekniker som användningen av den magnetokaloriska effekten (ett fenomen där magnetiska material värms upp när ett magnetfält appliceras och kyls ner när fältet tas bort) i supersolid ämnen också vinner fart.

En annan teknik innebär att kvantkretsar nedsänks i den sällsynta kryogena vätskan Helium-3., som blir superfluid vid extremt låga temperaturer och uppvisar unika kvantegenskaper.

Fortfarande, att uppnå och bibehålla kryogena miljöer för qubits krav betydande kostnader och energi, vilket utgör ett stort hinder för kvantkalkylering implementering och skalning up denna snabbt framväxande teknik.

Detta efterlyser innovativa tekniska metoder som kan möjliggöra högpresterande kvantberäkning.

En studie från KAUST-forskare har gjort just detta genom att föreslå utplacering av kvantprocessorer på stratosfäriska höghöjdsplattformar (HAP). Processorerna kommer att placeras på luftskepp som flyger genom stratosfären på en höjd av cirka 20 kilometer (12.4 miles), där omgivningstemperaturen är -50 °C (cirka -58 °F). 

Genom att utnyttja dessa naturligt kalla förhållanden strävar forskarna efter att avsevärt minska kylbehovet hos kvantdatorer och möjliggöra hållbar, högpresterande kvantberäkning.

Förvandla luftskepp till soldrivna kryogena datacenter

Det nya förslaget från forskare vid Saudiarabien Kung Abdullahs universitet för vetenskap och teknik (KAUST)), publicerad i tidskriften npj Wireless Technology¹, beskriver ett nytt ramverk för att distribuera kvantdatorer i stratosfären med hjälp av luftskepp, eller luftskepp.

Det visar också att deras unika tillvägagångssätt för grön, flexibelt utplacerbar kvantberäkning i den övre atmosfären erbjuder överlägsen energieffektivitet. Dessutom presterar systemet bättre beräkningsmässigt än traditionella markbaserade datacenter.

"Genom att operera ovanför molnen och vädersystemen har luftskeppet tillgång till förutsägbar och obehindrad solinstrålning."

– Huvudförfattare, Basem Shihada från KAUST

I syfte att utnyttja de kalla förhållandena of stratosfären föreslår teamet kvantberäkningsaktiverade plattformar på hög höjd (QC-HAP). Dessa stratosfäriska luftskepp kommer att vara värd för kvantanordningarna inneslutna i kryostater för att upprätthålla den erforderliga kryogena temperaturen. 

Ja, kryostater behövs fortfarande för att upprätthålla kvanttillstånd, men vid en sådan höjd minskar de naturligt låga omgivningstemperaturerna drastiskt den energi som behövs för kryogen kylning. 
Svep för att skrolla →

Utöver det kommer luftskeppen att vara utrustade med solpaneler för att omvandla solljus till elektrisk energi och litium-svavelbatterier för att säkerställa smidig drift under natten och under störande väder.

Enligt artikeln skulle kosmisk strålning, högenergipartiklar som produceras av solen, ha en försumbar inverkan på tillförlitligheten hos stratosfäriska kvantberäkningssystem, vilket bekräftar plattformens stratosfäriska livskraft. 

QC-HAP:erna som är placerade i himlen kommer att vara länkad till kvantdatacenter på marken.

För detta skulle HAP:er skicka information kodad i ljusvågor via Frirymdsoptisk kommunikation (FSO). Vid molniga förhållanden fungerar radiofrekvenslänkar som backup.

För att förhindra signalförsämring och dekoherens när data färdas genom atmosfären föreslår teamet att man använder mellanliggande, ballongburna plattformar på lägre höjder. som relästationer.

Det fina med QC-HAP:er är att de kan flyttas vart de än behövs, oavsett om det gäller efterfrågade hotspots eller avlägsna regioner. Denna flexibla implementering utökar kvantberäkningstäckningen, minskar beräkningsflaskhalsar och fördröjer latensen.

De kan också länkas samman för att öka den totala datorkraften och bilda "en dynamisk flotta som kan leverera skalbara kvantberäkningstjänster på begäran över hela världen", säger studiens medförfattare, Wiem Abderrahim, som för närvarande är forskare vid Karthagos universitet i Tunisien.

Denna skalbara arkitektur med flera HAP-konstellationer kan övervinna individuella energibegränsningar och förbättra beräkningsfördelarna.

Enligt forskarnas beräkningar skulle deras soldrivna lösning kunna minska kylbehovet med 21 % jämfört med motsvarande kvantberäkningscenter på marken.

Forskarna använde metoden för två ledande former av kvantberäkning för deras mognad, stabilitet, skalbarhet och koherenstid. Minskningen av kylbehovet varierar med qubit-arkitekturen eftersom varje typ arbetar vid ett annat kryogent temperaturområde.

En metod använder qubits baserade på infångade joner kylda till cirka 4K (cirka –269°C). Denna fick mest nytta av QC-HAP-konceptet. Den andra använder supraledande kretsar som fungerar vid temperaturer mellan 10 och 20 mK.

Deras analys visar också att dessa kvantaktiverade HAP:er stöder 30 % fler qubits än markbaserade QDC:er samtidigt som de bibehåller lägre felfrekvenser, särskilt vid utnyttjande avancerade hårdvarufunktioner.

Förutom qubitarna beror energibesparingarna som uppnås med det stratosfäriska kvantsystemet också på datacentrets arkitektur, noterade studien..

Även om det är kraftfullt är detta futuristiska koncept långt ifrån praktisk implementering, vilket kräver betydande framsteg inom kvantberäkningshårdvara, såsom robusta system för att identifiera och korrigera fel, särskilt under överföring.

Det finns också d unika egenskaper hos den stratosfäriska miljön, såsom säsongsvariationer i solinstrålning och väderförhållanden som påverkar utvunnen solenergi, och i sin tur påverkar energieffektiviteten hos deras föreslagna plattform, vilket kräver noggrant övervägande.

Studiens fokus för framtida forskning bör ligga på att analysera hur miljöfaktorer påverkar kvantsystem och på utveckla robusta designer för QC-HAP:s verkliga utrullning. 

”Våra nästa steg är att gå från det konceptuella och analytiska stadiet till mer implementeringsfokuserade studier.”

– Studiens medförfattare, Osama Amin

Framöver förväntar sig forskarna att kvantlösningar från luften inte kommer att ersätta, utan existera vid sidan av, konventionella markbaserade datacenter i ett hybridmolntjänstramverk.

Den globala kapplöpningen för att göra kvantdatorer till verklighet

I takt med att forskare utforskar himmelsbaserade kvantplattformar fortsätter stora aktörer inom industrin att utveckla den hårdvara som behövs för den kvantera som dessa plattformar så småningom kan stödja. 

IBM (IBM ), till exempel, är bland dem som är djupt involverade i kvantdatorer, och hoppas kunna leverera Starling, en storskalig feltolerant kvantdator, innan decenniet är över.

Nyligen tillkännagav företaget utvecklingen av nya kvantprocessorer (QPU:er) som är förväntat att hjälpa dem uppnå kvantfördel såväl som en helt feltolerant kvantdator.

Med 120 qubits är IBM Quantum Nighthawk dess första nya processorn som kan bearbeta 30 % mer komplexa kvantberäkningar än IBMs tidigare QPU (R2 Heron). Var och en av dessa qubits kan ansluta med den närmaste fyra grannar tack vare avstämbara kopplare. Detta ramverk kommer att göra det möjligt för forskare att utforska problem som kräver 5 000 två-qubit-grindar, och IBM hoppas att att ha Nighthawks framtida versioner leverera upp till 10 000 grindar i slutet av 2027.

IBM Loon är den andra mindre processorn, som har 112 qubits och alla hårdvaruelement som krävs för full feltolerans för att hantera den höga felfrekvensen i qubits. Detta kommer att hjälpa teamet att lära sig i förväg om Kookaburra, ännu en proof-of-concept-processor, som kommer att vara den första modulärt utformade kvantitetsprocessorn som lagrar och bearbetar kodad information. förväntas nästa år.

Dessutom delade IBM det deras ny format av tillverkning av kvantprocessorer på en 300 mm (12 tum) wafer halverar tiden som behövs för att bygga var och en samtidigt som den ökar d fysisk komplexitet av chips med 10x.

Medan hårdvara accelererar varierar tidslinjerna för mainstream-kvantumteknik dramatiskt mellan branschledare.

Kvantdatorer, enligt Intels (INTC ) den tidigare VD:n Pat Gelsinger kommer att bli mainstream mycket snabbare, om ungefär två år, och kommer att markera slutet för GPU:er. Samtidigt, Nvidia (NVDA ), en dominerande aktör på GPU-marknaden, har sagt att det kommer att ta två decennier för kvantteknik att bli mainstream.

”Vi går in i det mest spännande decenniet eller två för teknologer”, sa Gelsinger i en intervju med Financial Times. Han kallade också kvantberäkning för den "heliga treenigheten" av d databehandling världen, tillsammans med klassisk och AI-beräkning.

Men medan Gelsinger också tror att ett ”kvantgenombrott” kommer att spräcka AI-bubblan, ser Googles Sundar Pichai det som nästa AI-boom i sig.

VD:n för världens tredje största företag by ett börsvärde på 3.86 biljoner dollar sade i en nyligen genomförd intervju att kvantberäkning snabbt närmar sig ett genombrott liknande det som AI upplevde för några år sedan.

"Jag skulle säga att kvantmekaniken finns där, där AI kanske fanns för fem år sedan. Så jag tror att vi om fem år kommer att gå igenom en mycket spännande fas inom kvantmekaniken."

– Pichai

Och Google positionerar sig aggressivt för denna förändring. Enligt Pichai:

”Vi har världens främsta kvantberäkningsmöjligheter ... att bygga kvantsystem tror jag kommer att hjälpa oss att bättre simulera och förstå naturen och skapa många fördelar för samhället.”

Förstärkte denna utveckling, så sent som förra månaden, forskare på Google Quantum AI rapporterade genomförandet av en ytkod² med hjälp av tre distinkta dynamiska kretsar. Detta öppnar nya möjligheter för verklig tillämpning av den välkända tekniken Quantum Error Correction (QEC) och skulle också kunna bidra till att utveckla mer tillförlitliga kvantdatorer.

QEC är sättet att få dessa datorer att fungera tillförlitligt. Det är också viktigt för att bygga feltoleranta kvantdatorer, men ”att implementera QEC är en betydande utmaning eftersom kretsarna för feldetektering och korrigering är komplexa och kräver extremt exakta operationer”, säger medförfattaren Matt McEwen.

Ytkoden i fråga fungerar genom att organisera qubits på ett 2D-rutnät och sedan upprepade gånger kontrollera efter fel.

Tidigare arbetade McEwen med ett teoriförslag som visade att det finns flera sätt att implementera det, i synnerhet genom att demonstrera genomförbarheten av tre distinkta dynamiska ytkodsimplementeringar: hex, iSWAP och gångkretsar.

Med utgångspunkt i detta gick teamet vidare till arbeta med att bevisa att de arbetar i experiment under verkliga förhållanden. 

Vid testning fann de att iSWAP-kretsarna förbättrades d undertryckande av fel med 1.56 gånger och gångkretsen med 1.69 gånger, medan sexkantskretsen gjorde så 2.15 gånger.

"Den viktigaste lärdomen från vårt arbete är att vi bekräftar att dessa dynamiska kretsimplementeringar fungerar i verkligheten."

– McEwen

Genombrott inom qubit-stabilitet accelererar också. Princeton-ingenjörer były nyligen kunna förlänga qubit-livslängder³ i deras senaste forskning, som delvis finansierades av Google Quantum AI.

Ett stort steg mot att utveckla användbara kvantdatorer, ingenjörerna skapade en supraledande qubit som förblev stabil i mer än 1 millisekund, vilket är tre gånger längre än de starkaste befintliga versionerna.

”Den verkliga utmaningen, det som hindrar oss från att ha användbara kvantdatorer idag, är att man bygger en qubit och informationen varar helt enkelt inte särskilt länge”, säger medförfattaren Andrew Houck, som är dekanus för teknik vid Princeton. ”Detta är nästa stora steg framåt.”

För att bekräfta deras förbättring av qubit-koherensen byggde forskarna ett fungerande kvantchip med den nya arkitekturen, som liknar de system som utvecklats av Google och ... IBM (IBM ). 

Transmon-qubitalternativet som används förlitar sig på supraledande kretsar som arbetar vid extremt höga temperaturer. förkylning temperaturer och erbjuda solid skydd från miljöbuller. De fungerar också bra med dagens tillverkningsprocesser. Att öka koherenstiden för dessa qubits är dock extremt svårt.

Så omdesignade Princeton-teamet qubiten med hjälp av d exceptionellt robust tantal för att förhindra d energiförlust och allmänt tillgängligt högkvalitativt kisel som substrat. Detta tantal-kiselchip är inte bara enklare att massproducera utan överträffar också nuvarande designer.

Genom att kombinera dessa två, tillsammans med förfinade tillverkningstekniker, uppnådde teamet en av de viktigaste förbättringarna i växellådans historia. En hypotetisk dator på 1 000 qubit kan arbeta ungefär en miljard gånger bättre om branschens nuvarande bästa design is bytte med Princetons utformning på grund av dess förbättringar skalning exponentiellt med systemstorleken, sa Houck.

Théau Peronnin, VD för Alice & Bob, ett företag som utvecklar ett feltolerant kvantberäkningssystem med Nvidia (NVDA ), sa nyligen att även om kvanttekniken ännu inte är tillräckligt avancerad för att hota nuvarande kryptografiska system, kan den bli tillräckligt kraftfull för att knäcka dem några år efter 2030.

Detta utgör ett hot inte bara mot Bitcoin (BTC ) och kryptovalutor utan även till all bankkryptering. Han berättade för Fortune i en intervju:

"Löftet om kvantberäkning är en exponentiell ökning av hastigheten, men om du zoomar ut på en exponentiell [kurva] är den helt platt – och sedan är den en vertikal vägg. Så vi är bara i början av inflektionen. Nu är den inte kraftfullare än din smartphone just nu. Men ge den ett par år, så kommer den att vara kraftfullare än den största superdatorn någonsin.""

Företag arbetar dock med lösningar, medan forskare utökar räckvidden för kvantnätverk. Förra månaden presenterade forskare från University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) ökade utbudet av kvantkopplingar³ från bara några kilometer till 2 000 km.

”För första gången är tekniken för att bygga ett globalt kvantinternet inom räckhåll.”"

– Assistent professor Tian Zhong

I sin studie ökade teamet koherenstiden för enskilda erbiumatomer från 0.1 millisekunder till över 10 millisekunder, och i ett fall nådde de till och med 24 millisekunder.

Innovationen här var byggnad kristallerna som är avgörande för skapa kvantsammanflätning på ett annat sätt. För detta, de utnyttjas molekylärstråleepitaxi (MBE), vilket är likt 3D-utskrift. "Vi börjar med ingenting och monterar sedan den här enheten atom för atom,"" Han tillade: ”Kvaliteten eller renheten hos detta material är så hög att kvantkoherensegenskaperna hos dessa atomer blir enastående.”

Investera i kvantteknik

IonQ, Inc. (IONQ ) är ett renodlat kvantumföretag som bygger och kommersialiserar kvantdatorer med fokus på joninfångade qubits. Företaget erbjuder kvanthårdvara via stora molnplattformar. Gör kvantberäkning mer tillgänglig och positionerar den väl för kommersiell användning i takt med att kvantberäkning går mot verklig användning. 

IonQs aktiekursutveckling återspeglar detta, där aktierna för närvarande handlas till 48.10 dollar, en minskning med 21 % den senaste månaden men en ökning med över 18 % hittills i år och 67.56 % under de senaste tre åren. Vinsten per aktie (TTM) är -5.35 och P/E (TTM) är -9.21.

När det gäller företagets finansiella styrka rapporterade det en intäkt på 39.9 miljoner dollar för tredje kvartalet 2025, en ökning med 222 % jämfört med föregående år. Nettoförlusten var 1.1 miljarder dollar, medan GAAP EPS var (3.58 USD) och justerad EPS var (0.17 USD).

IonQ hade 1.5 miljarder dollar i likvida medel, likvida medel och investeringar vid kvartalets slut. 

"Vi nådde vår tekniska milstolpe för 2025, #AQ 64, tre månader tidigare, vilket frigjorde 36 biljoner gånger mer beräkningsutrymme än ledande kommersiella supraledande system. Vi uppnådde en verkligt historisk milstolpe genom att demonstrera världsrekordprestanda på 99.99 % för två-qubit-grindar, vilket understryker vår väg mot 2 miljoner qubitar och 80 000 logiska qubitar år 2030.""

– VD Niccolo de Masi

Under detta kvartal slutförde IonQ även förvärvet av Oxford Ionics och Vector Atomic och tilldelades ett nytt kontrakt med Oak Ridge National.l Laboratorium för att utveckla accelererade kvantklassiska arbetsflöden och avancerade energitillämpningar.

Klicka här för en lista över de fem främsta företagen inom kvantberäkning.

Senaste aktienyheterna för IonQ, Inc. (IONQ)

Slutsats: När "molnet" blir kvant

Kvantberäkningar genomgår en snabb utveckling från en ren laboratoriekuriositet till en global teknologikapplöpning, där branschjättar som IBM, Google och Nvidia driver hårdvarukapacitet till exempel nivåer. Samtidigt har genombrott inom qubit-koherens, kvantitetum-felkorrigering och långdistansförtrassling löser stadigt fältets långvariga utmaningar.

Mitt i detta arbetar KAUSTs förslag med att göra "molntjänster"" en påtaglig verklighet, driven av naturliga kryogena temperaturer och ständigt solljus. 

Dessa framsteg visar att vi närmar oss en historisk vändpunkt. Inom det kommande decenniet är det en mycket verklig möjlighet att kvantberäkningar äntligen kommer att gå från teori till ... praktiskhet, omformar kryptering, vetenskap och så småningom kanske till och med betydelsen av "molnet"" själv.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom molntjänster.

Referensprojekt

1. Abderrahim W., Amin O., & Shihada B. Grön kvantberäkning i himlen. npj trådlös teknik 1, artikel 5 (2025). https://doi.org/10.1038/s44459-025-00005-y
2. A. Eickbusch, M. McEwen, V. Sivak, A. Bourassa, J. Atalaya, J. Claes, D. Kafri, C. Gidney, C. Warren, J. Gross, A. Opremcak, N. Zobrist, KC Miao, G. Roberts, KJ Satzinger, A. Bengtsson, M. Green, M. Acharya, L. Aghababaie Beni, G. Aigeldinger, R. Alcaraz, TI Andersen, M. Ansmann, F. Arute, …, A. Morvan et al. Demonstration av dynamiska ytkoder. Naturfysik, 2025, Artikel publicerad 17 oktober 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03070-w
3. Gupta, S., Huang, Y., Liu, S., Pei, Y., Gao, Q., Yang, S., Tomm, N., Warburton, RJ, & Zhong, T. (2025). Dubbla epitaxiella telekom-spinn-foton-gränssnitt med långlivad koherens. Nature Communications, 16, 9814. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64780-6